序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇機械手設計論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

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一、 選題的目的和意義

據統計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進而對日常的生活產生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫療設備進行的康復理療已經遠不能滿足患者的要求。隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到更多人的關注，治療康復和服務于他們的產品技術和質量也在相應地提高，因此服務于四肢的康復機器人的研究和應用有著廣闊的發展前景。

目前世界上手功能康復機器人的研究出于剛起步狀態，各種機器人產品更是少之又少，在國內該領域中尚處于空白狀態，臨床應用任重而道遠，因此對手功能康復機器人的研究有廣闊的應用前景和重要的科學意義。

目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題：康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅動的手指康復訓練機器人實現手指康復訓練的多自由度運動，不僅降低了設備成本，更重要的是提高了系統對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運動的強度和速度易調整等特點。

課題的研究思想符合實際國情和康復機器人對系統柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機器人技術應用于患者的手部運動功能康復，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復機器人，輔助患者完成手部運動功能的重復訓練，其輕便經濟、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫療人員的負擔和衛生保健。

綜上所述，氣動人工肌肉驅動手指康復訓練機器人的設計是氣壓驅動與機器人技術相結合在康復醫學領域內的新應用，具有重要的科學意義。

二、 國內外研究動態

2.1 國外研究動態

美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。

華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。

vanderbilt 大學認知機器人實驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅動的爬墻機器人，并應用于驅動智能機器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利諾伊大學香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機械手采用神經網絡進行高精度位置控制和軌跡規劃。亞利桑那州立大學設計了并聯彈簧的新結構氣動肌肉驅動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業界合作開發了多種用于不同部位肌肉康復訓練的小型醫療設備。

英國salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統研究，開發了用于核工業的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。

法國國立應用科學學院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫療上的應用。

比利時布魯塞爾自由大學制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅動兩足步行機器人，實現了運動控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發明了多種不同結構的氣動肌肉。德國festoon 公司發明了適合工業應用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學合作開發了多種用于肌肉康復訓練的小型醫療設備。

lilly采用基于滑動模的參數自適應控制策略，實現了單氣動肌肉驅動的關節位置控制。

2.2 國內研究動態

自20 世紀90 年代以來，我國陸續開始了氣動肌肉的研究。

北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯機構，通過剛度調節實現柔順控制。

上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統控制以及基于神經網絡方法，實現單自由度關節的快速、高精度位置控制。

哈爾濱工業大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數對性能的影響、氣動肌肉的靜動態剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數據手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節階躍響應殘余震蕩問題。

北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節以及3 自由度球面并聯機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經網絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。

哈爾濱工業大學氣動中心的隋立明博士也通過實驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關節系統進行實驗建模和采用位置閉環的控制方法進一步驗證氣動人工肌肉的模型。

上海交通大學的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學習控制進行了仿真研究給出了學習的收斂性的初步結論為下一步的學習控制奠定了基礎。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數學模型并對它的結構及其靜動態特性進行了理論分析建立了相應的靜態力學方程。

2003年付大鵬等，以機械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機械手的運動學和動力學問題，以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎，將運動、變換和映射與矩陣計算聯系起來建立了機械手的運動數學模型，并提出了機械手運動系統優化設計的新方法，這種方法對機械手的精密設計和計算具有普遍適用意義。

2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現代計算機的發展，的除了機械臂的動力響應曲線，為機械手的優化設計及控制提供理論依據。

2008年北京聯合大學張麗霞，楊成志根據拿取非規則物品的任務要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手，手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現了機器手的多角度張開、抓握運動方式,對實用型仿人機器手的機構設計有參考意義。

2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機械手進行了動力學研究與仿真，。采用經典瑞利.里茲法和浮動坐標法描述機械手彈性變形與參考運動間的動力學耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構建了該移動柔性機械手系統的完整動力學模型并進行仿真。

2009年羅志增，顧培民研究設計了一種單電機驅動多指多關節機械手，能夠很好的實現靈巧、穩妥的抓取物體，這個機械手共有4指12個關節。每個手指有3個指節，由兩個平行四邊形的指節結構確保手指末端做平移運動，這種設計方案很好的實現了控制簡單、抓握可靠的目的。

從目前來看，國內對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關氣動人工肌肉的研究與國外還有相當的差距對氣動人工肌肉中的許多問題，還沒有進行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機器人驅動器的研究還不成熟。

三、 主要研究內容和解決的主要問題

目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題:康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內容：設計一種結構簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復設備。對氣動手指康復系統進行機構運動學分析、用mat lab軟件對康復訓練機器人的康復治療過程的力位信息進行仿真分析。

要實現上述的目標，系統中需要著重解決的關鍵技術有：

(1)基于已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分的設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅動關節機構自由度的優化配置。使機械手能夠實現手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實現的動作。

(2)對機器人機械機構的運動學分析。主要包括：氣壓驅動的手指關節外骨骼機械機構的運動學分析。

(3)機器人機構的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進行機器人氣壓驅動終端的力位信息 仿真。

根據總體方案設計以及工作量的要求，外附骨骼機械手系統是上肢康復訓練機器人的一部分，本文主要是研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。

四、論文工作計劃與方案

論文工作計劃安排：

2010年9月——2011年6月準備課題階段：

主要工作：學習當今最先進的機器人設計技術;學習用matlab軟件進行計算仿真及優化，查閱國內外的資料，對康復機械手作初步了解。

2011年7月——2011年9月課題前期階段

主要工作：課題方案設計，擬寫開題報告，開題。

2011年10月——2012年7月課題中期階段

主要工作：開始具體課題研究工作，根據已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。

2012年8月——2012年12月課題后期階段

主要工作：對手指康復機器人進行模擬仿真，對設計進行優化，并在此基礎上進一步完善課題。

2013年1月——2013年4月結束課題階段

主要工作：整理相關資料，撰寫論文，準備進行畢業論文答辯。

2013年5月——2013年6月論文答辯階段

主要工作方案：

1. 完成學位課與非學位課學習的同時，進行市場調研，對手指康復機械手作初步了解。

2. 查閱資料，了解氣動手指康復機器人的國內外發展現狀。

3. 分析已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構的部分設計。

4. 對現有手指康復訓練方法設計進行分析和提煉，分析其優缺點。

篇（2）

前 言：

氣動機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。氣動機械手具有結構簡單、重量輕、動作迅速、可靠、節能、不污染環境、可實現無級調速、易實現過載保護等優點，特別適用于汽車制造業、食品和藥品包裝行業、化工行業、精密儀器制造業和軍事工業等。

在現代工業技術應用的氣動機械手能夠實現4個自由度的運動，其各自的自由度的驅動全部由氣動肌肉來實現。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅動實現各自關節的轉動，使物品在空間上運動，根據合理的控制，最終實現機械手的動作要求。氣動機械手回轉臂的設計主要是選擇合適的控制閥，設計合理的氣動控制回路，通過控制和調節各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規定的程序工作。

1.氣動機械手的原理

氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。它巧妙地應用力的平衡原理，使操作者對重物進行相應的位移，就可在空間內平衡移動定位負荷。重物在提升或下降時形成浮動狀態，靠氣路實現微重力的物料位移，操作力受工件重量影響。無需熟練的點動操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正確地放到空間中的任何位置，或者通過操作臺控制工件的位移可完成以下動作：送料、預夾緊、手臂上升、手臂旋轉、小臂伸長、手腕旋轉。

圖1：氣動機械手系統工作原理圖

氣壓傳動機械手的優點：（1）不用增速機構就能獲得較高的運動速度，這是簡易機械手的一項主要性能，其可適應各種快速自動搬運的工作。（2）能源方便，工廠都有壓縮工作站。（3）空氣泄漏基本無害。（4）適應易爆、易燃等惡劣環境。

（5）結構、保養都簡單，成本低。（6）可將直線風缸和擺動風缸做成手臂的一部分，結構簡單，剛性好。

2.氣動機械手的主要部件和設計要求

根據模塊化設計思想，機械手的各模塊化機構分別為：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個部分。論文選擇圓柱坐標式機械手，木設計的機械手具有3個自由度：手臂伸縮；機身回轉；機身升降。木設計的機械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：手部，采用一個氣爪，通過機構運動實現手爪的運動。臂部，采用直線缸來實現手臂的伸縮。機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂升降和回轉。

機械手的手部是機械手上承擔抓取工件的機構，由于被抓取物件（炮彈）的形狀近似于圓臺，所以，其手爪采用特殊的V字型結構，即手爪的內表而設計成與圓臺斜度相同的斜而，即保證了抓取的穩定又不會因“線接觸”而影響炮彈的表而質量。通過對平衡氣缸內空氣壓力快速精確的調節，實現對某一重量范圍內工件的實時平衡狀態。機械手可選擇定制功能：平衡系統；垂直提升；負載平衡。設備回轉關節設置剎車系統，可在任意所需要的位置剎車，使機械手可以長期或定期保持需要的狀態。翻轉90度、翻轉180度和翻轉任意角度（MAX270°）；斷氣保護：設備被意外斷氣時，設備上的儲氣罐裝置可保證工人正常完成一個循環工作，然后進入剎車狀態指不功能：負載指示、到位指示。誤操作保護功能：工件在懸空時不可被釋放。人性化操作手柄：控制按鈕和人性化防滑手柄集成一體，讓操作人更便捷操縱機體。工件表面保護：夾具接觸工件部位裝置保護物件，保證工件表而不會被刮傷。高效率工作：夾具設置抓取導向，讓工件的拾取更高效。

控制系統可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉鼓、穿孔帶內；位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內，如磁帶、磁鼓等這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續控制的情況下使用。

3.機械手回轉臂的結構優化措施

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末端執行器

結構優化

中圖分類號：TB47　文獻標識碼：A　文章編號：1672-3791(2012)02(a)-0001-01

1　水果收獲機器人的概念和研究意義

水果收獲機器人主要分為兩部分：機器人的本體結構部分和控制部分。其中，本體結構部分又可分為：機械手，末端執行器，底部平臺，有的還有視覺系統。

在中國，隨著農村經濟的快速發展和不斷調整種植結構，水果栽培面積，例如蘋果、柑橘和葡萄，達到自199 3年以來的900萬公頃，占世界上水果種植面積總數的四分之一。然而，水果收割任務中50％到70％的勞動力還是靠體力勞動。因為農業人口正在減少，收獲自動化亟待普及。此外，由于果樹是高個子，收割工作需要使用梯子，使手工收獲危險高和效率低下。所以，農業收獲機械化亟待普及。因為水果本身易損傷和生長環境的復雜等因素的制約，現階段的各種水果收獲機器人都有各種不足。本文就近幾年來的有關論文進行研究學習及對本地柑橘的生長環境的調研，擬設計了一種適合本地柑橘機械采摘的簡易機械臂及末端執行器。

2　本地柑橘的自然采摘環境

浙江大部分都是山地地貌，并且大都種植了柑橘、蘆柑、胡柚等柑橘屬的植物。雖然浙江的氣候、土壤等都適宜于柑橘的生長，但是浙江的山地地貌也給采摘和運輸帶來了一定的難度。每年的采摘季節，需要大批的勞動力，而于此相反的是，本地的勞動力日漸下降，全都去城鎮務工了。因此，針對柑橘的采摘機器人呼之欲出。柑橘果實外有一層較厚的果皮，它能很好的減輕柑橘間的碰撞沖擊力。

3　本設計的末端執行器及機械臂的結構

3.1　采摘機械手的設計

與工業機器人機械手不何，果蔬果實收獲機器人的機械手，所處的外部環境是復雜的、多變的、非結構的，并且與果實的栽培方式有很大關系。因此，設計機械手應在考慮栽培方式的基礎上，使果實處于其作業空間內，并且能夠避免障礙物(葉子、莖稈等)，準確地抓取到果實。對于柑橘、蘋果等樹冠高大的果樹，機械手需要較大的作業空間。為此，本設計采用三個關節的折疊臂使達到所需的作業空間，并且可以折疊便于攜帶。

具體三維模型見圖1。

3.2　末端執行器的設計

目前各地研究的收獲機械手的末端執行器大多為：先由機械手爪抓住果實，然后通過機械手爪轉動來扭斷果柄；或者在手爪抓住果實后，用另一個剪刀去剪斷呆柄，然后機械臂把水果運輸到指定點，手爪放開。這樣的設計一定程度上降低了收獲機械人的收獲效率。

本設計的末端執行器主要由支架，動力部分，傳動部分，果梗剪斷器，果實傳送部分五個部分組成，具體看圖2。此末端執行器由電機通過齒輪驅動果梗剪斷器剪斷果梗，同時果實掉入果梗剪斷器下方的柔性導管中，果實通過柔性導管被馬上運輸到指定點。

本設計的末端執行器和普通的執行器相比，不但從減少電機的數量，并且提高收獲機械人的工作效率。其中圖2中的柔性軟管不僅代替了普通的末端執行器的手爪功能，從而減去了一個被驅動元件，還能直接把采摘得果實直接運送到指定點，進而大大提高了收獲效率。但由于運輸過程中有一定碰撞，所以此末端執行器一般適用于柑橘等柑橘屬的水果。

此外，由于不同品種的柑橘的果梗粗細不同，果實的直徑大小不同，我們可以根據采摘對象的不同，更換不同的果梗剪斷器，不同直徑的柔性管道，甚至整個末端執行器也可更換。

3.3　建立實物模型，檢驗實際效果

根據三維建模的相關數據及考慮現實的取材便利，我們用輕質不銹鋼做為主材料，直流電機為動力部分，齒輪為傳動部件，塑料管做為柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘機械手模型(圖3)。并且，在實驗室里，模擬運行了此機械手的采摘功能。在實驗室里，該柑橘采摘機械手模型在人的控制下基本能實現在豎直空間上的上下自由運動。并且順利剪斷果梗，使果實順利掉入由塑料管充當的柔性管道中。最終，果實順著柔性管道順利到達指定位置。

4　結語

對于目前水果收獲機器人的機械手和末端執行器存在的問題。本文提出了自己的見解：因機械手的結構與果蔬的生長狀態有關，可采用關節型的折疊機構。對于水果收獲機器人只能針對一種對象進行作業的現狀，本設計提出了一套適合柑橘屬果實采摘的末端執行器的設計，即只需要更換末端執行器，這樣收獲機器人的利用率將大大提高。另外，柔性的管道節省去了機械臂把水果放回地面的時間，從而大大提高了機器人的采摘效率。

當然，本設計的也還存在一些不足。如缺少在自然環境中的測試，還不能很好的利用到現實生產過程中。機械臂的設計有些過于簡單，有待進一步優化。

篇（4）

隨著礦山設備的發展，礦用車輛輪胎機械手也不斷更新發展，逐漸向大型化，自動化方向發展，這給輪胎機械手的設計帶來了諸多的挑戰和難題。設計一種能夠代替人力，操作簡單，安全實用，適用于大型輪胎拆裝、搬運需求的設備成為當務之急。這有利于提高生產效率，降低勞動強度，保證作用安全。研究表明85%的輪胎機械手的破壞發生在連桿機構，這種破壞主要是連桿機構在動態載荷下發生的疲勞失效或者應力屈服破壞。為了解決輪胎機械手連桿機構的破壞難題，本文將對該連桿機構進行動態應力仿真，考場連桿機構在動態載荷的作用下連桿所發生的變化，并提出連桿機構的優化設計方案。

1、輪胎機械手發展狀況

國外的輪胎機械手的發展已經十分成熟。第一臺輪胎機械手由美國佩蒂伯恩公司生產的Super 20型輪胎夾裝機，該機械手具備更換運輸卡車和重型設備輪胎的作用，還可以當做叉車使用；該設備顯著的特點是高效，大量減少勞動量。改型輪胎機械手主要由以下幾個部分組成：前伸式夾持裝置，四輪驅動裝置，四輪空氣制動裝置和一臺GM型柴油機組成。該裝置的最大夾持承載能力在伸出時為4309kg，縮回時為6804kg，夾持裝置能夠向兩側轉動45°，叉架能夠左右移動127mm，以準確完成輪胎的定位。此裝置能夠平穩的夾起輪胎，并將輪胎準確的定位在輪轂螺栓上。

同國外相比，國內輪胎機械手發展起步比較晚，還處于生產小型輪胎拆裝機階段，對于大型輪胎拆裝設備的研發還很少。廣西柳工集團生產的ZL40B型裝載機，使用規格為20.5-25的輪胎，充氣后質量為0.4t，最大直徑為1.55m。該型裝載機的工作機構可以完成動臂的提升和鏟斗的旋轉動作。拆下鏟斗，在動臂斗銷的位置上安裝水平放置的兩只夾持臂。兩只夾持臂由液壓缸提供動力，可以實現張開和閉合動作。這樣，裝載機自身動臂的提升、鏟斗的旋轉外加夾持臂的開合動作就可以滿足輪胎拆裝的需求，具有操作方便、結構簡單、安全可靠等優點。

2、ADMAS軟件的介紹

ADAMS，即機械系統動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS己經被全世界各行各業的數百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

3、輪胎機械手結構組成

輪胎機械手的主要功能是實現礦山大型車輛輪胎的拆裝和搬運。動力源為液壓缸，并要求液壓動力在適當的荷載下運作，才能使液壓工作件高效、平穩、準確的完成液壓元件的各項操作動作；而且液壓動力源的各項操作可以通過電液伺服控制技術使提高該系統的自動化控制水平。輪胎機械手可以安裝在裝載機或叉車上，利用裝載機和叉車可以將物體舉高的現有動作實現垂直地面方向的移動，輪胎機械手自身可以完成對輪胎的夾持、水平移動和兩個方向的翻轉動作以滿足大型輪胎的拆裝和搬運過程中所需的各種動作。輪胎機械手執行機構大致由手盤、手臂、轉動架、平動架和固定板組成。

4、輪胎機械手工作原理

輪胎機械手的執行是通過手臂上的兩支液壓缸的伸縮，產生一定的夾緊力同時對兩支手臂同步完成手臂的張開和閉合動作，其中最大的夾緊重量為5900kg，夾持距離為1092mm~4060mm；另外手臂上的手盤能夠在360°的范圍內帶動負載以額定轉速旋轉，旋轉力矩和要求轉速由安裝在手臂的液壓馬達經過減速器產生，要求旋轉過程不能發生打滑現象；同樣轉動架以2r/min的轉速旋轉360°，且旋轉所需的力矩是由安裝在平動架上的液壓馬達提供；而平動架在水平左右移動所需的動力又安裝在平動架和固定板之間的平動液壓缸提供，并且可以在300mm的范圍里移動；最后，整個裝置由固定板安裝在裝載機或叉車上。

5、動態應力仿真

由研究表明，85%的輪胎機械手主要在連桿機構處發生破壞，而破壞的原因主要是因為動載荷受力不均勻，導致連桿機構疲勞失效和破壞。針對連桿機構的在動載荷下的破壞，探究桿件在受到動載荷時桿件的應力情況。動態應力仿真的步驟是：首先建立輪胎機械手的虛擬樣機模型；然后導入到動態分析軟件ADAMS中，對樣機模型進行約束、驅動使模型模擬整個機械手的運動；最后在ADAMS中記錄模型在受到動載荷下，模型的運動狀況以及桿件所產生的動態應力。

通過動態軟件ADAMS仿真可以直觀的輪胎機械手的動作過程，通過修改參數可以看出該機械手的連桿機構在不同載荷下所受到的動應力，根據該動應力的情況設計合理的連桿機構，同時對改進輪胎機械手提供了依據。同時仿真模型和運動過程參數可以為整個機構的優化提供理論依據，繼而為快速、準確方便的設計和制造物理樣機奠定基礎。

同國外相比，國內輪胎機械手發展起步比較晚，還處于生產小型輪胎拆裝機階段，對于大型輪胎機械手的研發還很少。主要原因是國內輪胎機械手的設計中，很少考慮連桿機構在動態載荷下的應力變化情況，在對輪胎機械手的改進和研究過程中我們要充分考慮動態載荷情況，根據動態載荷運用動態仿真軟件來模擬其實際情況，這樣能節約成本，縮短開發周期。

參考文獻：

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1無氧澆注技術

鋼水從盛鋼桶注入中間罐、或者從中間罐注入結晶器的過程中，不可避免地要與空氣接觸而發生氧化反應和吸收氣體。如果不采取措施，即使連鑄鋼水經過了各種處理，鋼水的純度很高，也還是會前功盡棄，結果往往在鑄坯、鋼板和成品加工過程中出現種種表面或內部缺陷，使鋼坯的機械性能變壞。因此，在連鑄過程中必須使鋼水與空氣隔絕，這就是無氧澆注技術。

長水口機械手機構就是通過各種動作把長水口的上端與大包滑動水口相接，下口伸入中間罐鋼水內，從而使鋼水流通過長水口注入中間罐，用長水口將注流與空氣隔絕。。為了防止從上水口與大包滑動水口的連接處吸入空氣，選用Ar氣體密封。這也是無氧澆注中大包與中間罐之間保護形式的一種，是品種鋼澆鑄的必要技術。

2改造前長水口機械手的工作條件和應用狀況

某鋼廠連鑄用鋼包自重130噸，公稱容量為300噸，最大容量為325噸。最大容量時鋼水高度為4707mm。

圖1

鋼水液比重6.8t/m3，上口直徑φ4623mm，鋼水罐總高5445mm，凈空高度504mm（300噸時）吹氬壓力4kgf。耐材自重93-100kg。液壓系統工作壓力100-150bar，最大壓力210bar。液壓缸主要參數為φ50/φ28，行程200，由于液壓缸的位置限制不能使水口向上抬的很高，雖然能夠降得很低，但不能有效地利用行程，不能滿足大包升降的機械要求。液壓系統的工作情況如圖1所示。現有機構無法安全牢靠的把持長水口，經常中斷連鑄的順利進行，無法保證煉鋼質量。

3長水口機械手的結構特點

長水口機械手的升降運動包括配重控制和液壓閥塊控制；在回轉機構上有依靠人工操作和利用蝸輪蝸桿減速機傳動兩種方式。配重式機械手在操作過程中笨拙、沉重且不能有效的保證長水口需要的預緊力。現在的長水口機械手設計常采用液壓控制，利用鑄機主泵站供油，選擇在系統壓力范圍內有效工作的液壓缸，不必配置獨立的液壓站。在機械臂的支撐上有一點支撐和通過旋轉臂兩點支撐這兩種支撐方式。

4長水口機械手的工作原理

4.1液壓缸的設計依據

長水口機械手的升降動作主要依靠液壓缸的動作來完成。液壓缸可分為有桿腔工作和無桿腔工作兩種情況，無桿腔進油推力大速度小，有桿腔進油推力小速度快。或者說在同樣負載下，無桿腔進油需要的壓力小，有桿腔進油需要的壓力大。

根據長水口機械手的工作要求，現場需要動作的范圍進行設計，為某鋼廠改造的該機構工作位置如圖2所示。

圖2

O點為液壓缸的支點，A點為液壓缸最短行程位置，C點為最大行程位置，通過力距的分解與計算，可以選擇一定行程的液壓缸，保證機構升降需要達到的位置。通過分析可知，圖示位置和行程完全可以提起所要求的角度。。該機構是可靠的。

4.2回轉機構設計

回轉機構采用下置式蝸輪減速機，傳動比40：1。。根據輸出軸軸端許用負載選擇蝸輪軸的轉速及額定轉矩。

輸出軸軸端徑向許用負荷FR=FL·R（其中FL為速度系數，R為徑向載荷系數）

輸出軸軸端軸向許用負荷FA=FL·A（其中FL為速度系數，A為軸向載荷系數）

蝸輪減速機在啟動機器之前，要正確加注蝸輪減速機專用油N220-N680，不能使用其他油。新減速機第一次使用時，經運轉7~14天（150~300小時）的磨合期后，必須更換新油。使用至三個月時必須第二次更換新油。在以后的使用過程中，應定期檢查油質，必須隨時更換含有雜質、污染，或已分解、老化的變質油品，確保減速機的使用性能，從而保證長水口機械手機構靈活、安全的回轉。

5、使用狀況

該長水口機械手機構在現場使用過程中轉動靈活，操作簡單，工作可靠，達到了鋼廠的使用要求。

根據某鋼廠板坯澆鑄機生產實績統計，在鋼包與中間罐間敞開澆注，中間罐內鋼水平均增氮20ppm；采用長水口密封澆注，平均增氮約12ppm；在長水口頂部與滑動水口連接處通過Ar密封，鋼液增氮平均僅為2ppm。

篇（6）

中圖分類號: TP241.2 文獻標識碼:A 文章編號:1674-0432(2010)-10-0120-1

四自由度采摘機械臂可以看成是由一系列通過活動聯接連接起來的桿件組成的。

1 三維空間中的附體坐標系和總體坐標系

為了便于處理機械臂復雜的幾何參數,機械臂各桿件的運動可在總體坐標系中描述,在每個桿件處建立一個附體坐標系。運動學問題便歸結為尋求聯系附體坐標系和總體坐標系的變換矩陣。如圖1所示,參考坐標系Oxyz是三維空間中的固定坐標系,在機械臂運動學中將其作為總體坐標系,把Ouvω看成是附體坐標系。

圖1 總體坐標系和附體坐標系

2 建立附體坐標系和總體坐標系的規則

Denavit和Hatenberg(1955)提出了一種為關節鏈中的每一桿件建立附體坐標系的D-H矩陣方法。對于每個桿件來說,在關節軸處可建立一個正規的笛卡兒坐標系(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,再加上機座坐標系。建立在關節i+1處的坐標(xi,yi,zi)是固聯在桿件i上的。當關節驅動器推動關節i時,桿件i將相對于桿件i-1運動。機座坐標定義為第0號坐標(x0,y0,z0),它也是機械臂的慣性坐標系。確定和建立每個坐標系應根據下面3條規則:

(1)zi-1軸沿著第i關節的運動軸;

(2)xi軸垂直于zi-1軸和zi軸并指向離開zi-1軸的方向;

(3)yi軸按右手坐標系的要求建立。

按照這些規則,第0號坐標系在機座上的位置和方向可任選,只要z0軸沿著第1關節的運動軸運動。

3 四自由度采摘機械臂坐標系的關系參數

根據上述坐標系的定義,描述四自由度采摘機械臂相鄰坐標系之間的關系可歸結為如下4個參數:

θi 繞zi-1軸(右手規則)由xi-1軸向xi軸的關節角;

di 從第i-1坐標系的原點到zi-1軸和xi軸的交點沿zi-1軸的距離;

ai 從zi-1軸和xi的交點到第i坐標系原點沿xi軸的偏置距離;

αi 繞xi軸(右手規則)由zi-1軸轉向zi軸的偏角。

對于四自由度采摘機械臂來說,di,ai,αi是關節參數,θi是關節變量。根據上述三條規則以及各參數的解釋,可以求得四自由度采摘機械臂的四個參數,結果見表1。

4 循環法建立坐標系

除了上述D-H矩陣方法以外,也可以通過以下6個步驟為四自由度采摘機械臂建立一組相容的標準正交坐標系。

(1)建立機座坐標系。在機座上建立右手正交坐標系(x0,y0,z0),使z0軸沿關節1的運動軸,x0和y0軸與z0垂直,但方向可任選;

(2)初始化和循環。對每一個i,i=1,2,3,完成步驟(3)至(6);

(3)建立關節軸。把zi軸與關節i+1的轉動軸對準;

(4)建立第i個坐標系的原點。將第i個坐標系的原點放在zi和zi-1軸的交點處,或放在它們的公垂線與zi軸的交點處;

(5)建立xi軸。使xi=±(zi-1×zi)/||xi=±(zi-1×zi)/||,如果zi-1與zi平行,就使xi沿它們的公垂線;

(6)建立yi軸。令yi=±(zi×xi)/||zi×xi||,使(xi,yi,zi)成為右手坐標系。建立好的坐標系如圖2所示。

圖2 四自由度采摘機械臂連桿坐標系

參考文獻

[1] 朱梅.具有五自由度及張合氣爪的液壓機械手[J].機床與液壓, 2006,1:96-97.

[2] 畢諸明.六自由度操作手的逆運動學問題[J].機器人. 1994,3(16):92-95.

[3] 高銳.草莓收獲機器人的初步研究[D].中國農業大學碩士學位論文,2004.

篇（7）

1 圓盤式刀庫大端面刀換刀問題分析和設計

首先，圓盤式刀庫換刀只需要將目標刀與主軸到交換，它不同與斗笠式刀庫必須處理還刀，所以為縮短換刀找刀時間可用T碼命令先讓刀庫備好刀，程序執行到換刀名令時直接就可以進行換刀動作。程序T碼控制刀盤將目標刀找到并將到套倒下來。當程序遇到M06命令時，Z軸回到第二參考點主軸準停定位->機械手刀臂旋轉抓刀->氣缸松刀->刀臂旋轉換刀->汽缸緊刀->刀臂回原點->換刀完成。

其次，隨機找刀、機械手換刀控制基本原理：Txx代碼激活刀庫控制。PLC根據編程刀具號計算出該刀具所在的刀套位置，以及就近找刀的方向。位置通過PLC指令[S.ATC K1]方向尋找，通過指令[S.ROT K1]尋找。由PLC程序控制刀庫按就近方向轉動到編程刀具所在的位置，等待換刀。最后，M06啟動PLC換刀，換刀過程說明：步驟一：刀套倒刀；步驟二：機械手扣刀；步驟三：主軸松刀；步驟四：機械手交換刀具；步驟五：主軸緊刀；步驟六：機械手回原點；步驟七：刀套回刀，換刀步驟通過PLC程序控制，刀具交換通過[S.ATC K4]指令。

2 大小刀的換刀控制的分析研究

由于用戶在使用機床時常會用到端面飛刀等大直徑的刀具（簡稱大刀），這些刀具裝入刀庫后左右相臨的刀套內就無法放入刀具。圓盤式（機械手）刀庫采用的是隨機換刀，刀具所在的刀套并不固定，如果換大直徑的刀就有可能和相臨的刀具發生碰撞，所以PLC需要對此種情況進行處理。PLC程序設計思路和解決方法：要解決此問題最關鍵的就是要讓大刀兩側的刀位空出來，當換刀時首先把大刀放入兩側是空刀的刀套里。本次設計的刀庫為24把刀的圓盤式刀庫，由于大刀要占用左右的刀套位，極限情況下24位可以裝下11把刀，但由于實際使用中幾乎不會要使用到如此多的大刀，故本次設計最大大刀容量為9九把（可修改成11把）刀庫容量也可以增加。PLC定義T0～T24為小刀刀號，T51～T59為大刀刀號，刀套空位為99。刀號的設定須在刀庫登錄表里，刀庫登錄表根據實際使用情況設置。特別注意：允許的大刀最大直徑必須小于刀庫允許普通刀具直徑的的兩倍（目前使用的刀具都小于允許直徑的兩倍），否則大刀與大刀之間交換會發生碰撞，刀具重量不能超過刀庫允許重量。大刀交換規則：小刀可放進大刀的刀套內，大刀不可放進小刀刀套內。換刀情況分析有以下四種：主軸小刀和刀庫小刀交換，一次性換刀；主軸小刀和刀庫大刀交換，一次性換刀，主軸小刀放進大刀刀套中；主軸大刀和刀庫小刀交換，先將原大刀刀套中的小刀換到主軸上，在將小刀與小刀交換；主軸大刀和刀庫大刀交換，一次性換刀。換刀相關保護和報警①換刀前判斷刀臂是否在原點，否則報警不執行換刀。②刀套和打刀缸的動作受到PLC監控，超出時間會發出報警，終止換刀。③檢查刀庫表中刀號與主軸刀號是否重復，發出報警信號。④大刀換刀時檢查大刀刀套兩側是否為空刀位，如果不是則發出報警，終止換刀。⑤檢查當前刀套內的刀號是否是空刀位，是則不進行換刀，發出報警。換刀刀號判斷PLC說明。通過D60中的T碼與K實數進行比較，把比較的結果送入M1000～M1008。利用比較的結果M1000～M1008判斷目前換刀的狀態，將結果送入M600～M603。M600：T碼小刀與主軸小刀交換；M601：T碼小刀與主軸大刀交換；M602：T碼大刀與主軸小刀交換；M604：T碼大刀與主軸大刀交換；通過判斷的換刀狀態按照PLC程序框圖的方式執行。

3 結語

用戶在使用機床時常會用到端面飛刀等大直徑的刀具，這些刀具裝入刀庫后左右相臨的刀套內就無法放入刀具。根據公司項目要求并兼顧成本和機床功能，通過系統控制解決了大端面刀等大直徑刀具的換刀問題，為客戶提高生產效率，從而提高其經濟效益做出了一定的貢獻。圓盤式（機械手）刀庫采用的是隨機換刀，刀具所在的刀套并不固定，如果換大直徑的刀就有可能和相臨的刀具發生碰撞，所以PLC需要對此種情況進行處理。要解決此問題最關鍵的就是要讓大刀兩側的刀位空出來，當換刀時首先把大刀放入兩側是空刀的刀套里，然后再進行換刀。在此設計中還為客戶完善了使用過程中的一些輔助功能，使客戶使用更方便、更安全，得到了客戶的認可。通過三菱圓盤式（機械手）刀庫加工中心開發過程，使我收獲頗多，為了讓更多人分享享我的經驗所得，特寫這篇論文，供大家參考學習。

[參考文獻]

篇（8）

中圖分類號：G712文獻標識碼：B文章編號：1006-5962（2013）02-0027-02

高職機電一體化專業課程設置的培養目標是：面向工業企業生產現場，電氣控制系統制造公司、機電設備制造公司、機電設備、電氣設備、工控設備制造公司或公司、科技開發公司，培養適應社會需要，全面發展，適應本專業相對應職業崗位的高等技術應用性專門人才，主要崗位群定位是自動化設備安裝員、自動化設備調試員、中高級維修電工等，本專業有五個主干學科：電氣工程、電子工程、機械工程、計算機科學與技術、控制科學與工程，都是為了崗位需要設置的專業知識。其中《自動化生產線安裝與調試》作為一門核心專業課在第四學期進行了貫穿和綜合。

1自動化生產線的課程設置

機電一體化專業人才培養能力有：識圖繪圖能力、機電安裝調試維修能力、電控系統調試檢修能力、自動線調試維護能力、機電設備管理能力及機電產品營銷能力等。《自動化生產線安裝與調試》前序課程有PLC技術、傳感器技術、電機與控制，后序課程有機床維修等。在我們所要實現的教學目標中知識目標涉及到：機械手工作原理、握機械手控制原理、機械手氣動原理、熟悉安全操作規程；能力目標有：對已安裝的機械手機械部件進行測量；對機械手的氣路進行基本調試；根據故障現象判斷故障部位；檢查分析、找到故障點并分析解決故障；遵守安全操作規程；素質目標有嚴謹的職業態度、規范的操作習慣、創新精神、團結協作精神、自主學習精神及溝通能力。

此核心課程以項目驅動教學開展課程教學，提升學生的職業能力，以具體自動化生產線為載體，融合認知、安裝、調試和檢測等內容，實現教、學、做、評一體化教學，突出課程的職業性、實踐性和開放性。以學生為主體，采取多樣化教學方法。以自動化設備改造為工作過程，涉及電路圖分析、電氣圖設計、程序設計、設備組裝、設備運行調試、設備檢測、設備維護等行動領域，設置六個學習情境：零配件拆裝、傳感器檢測、氣路檢測、異步電機檢測、步進電機檢測、整體檢測調試，分成20個任務。

項目一：供料站的安裝，有機械拆裝、氣路拆裝、電器拆裝三個任務；項目二：加工站的安裝，設計任務有加工站組裝、光電傳感器檢測、限位傳感器檢測三個任務；項目三：裝配站的安裝，設計任務有裝配站組裝、電磁閥檢測、氣缸檢測三個任務；項目四 ：分揀站的安裝，設計任務有分揀站組裝、傳送帶的檢測、異步電機的檢測、變頻器的檢測四個任務；項目五：輸送站的安裝，設計任務有輸送站組裝、光纖傳感器檢測、機械手檢測、步進電機的檢測、溜板檢測四個任務；項目六：整體運行調試，有PLC控制網絡構建、程序編寫、綜合調試三個任務。

2自動化生產線的教學方法與評價設計

2.1教學方法。

（1）講授法：講解項目任務，傳授項目任務相關的知識點，針對學生實施過程中出現的不足進行知識點的說明。

（2）現場教學法：在符合生產要求的工作環境中進行操作技能和維修應用能力實踐，提高職業氛圍，在工作過程中提升學生的職業道德、職業素養和崗位適應能力。

（3）任務驅動法：將教學過程融入項目任務中，讓學生自主討論分析實施，學生在工作過程中得到知識。

（4）小組討論法：學生每六～八人為一個小組，小組討論分析，討論解決，分工協作完成項目任務。

六步教學實施：明確任務、討論分析、制定方案、檢測故障、檢驗效果、總結分析。老師交代目標，注意觀察和記錄小組對現象分析情況，解答學生提出的問題，對跟主題分析偏離太遠的小組予以引導，讓學生自行摸索，在后期對學生可能會引起事故或損壞設備和工具的異常操作給予糾正，最后老師組織小組進行故障排除工作匯報，互評，并對每組進行考核評價，再引導學生自行總結。

2.2評價設計。

課程采用過程考核與期終考核相結合、企業考核與校內項目考核相結合、教師考核與學生考核相結合的多元化考核方式，利于理論聯系實際，有利于學生的學習創新和思考，更督促他們到實際中去發現和改進，去尋找合適自己的項目和課題。

課程考核為：校內項目，企業，綜合實訓三大類。當堂課的考核有：教師考核、小組互評、小組自評；教師考核內容為五項：任務分析情況，實施方案制定，任務完成質量、分工協作精神、故障檢測手段、安全操作規范、小組總結。

和很多專業課一樣，多種教學方法和全面的評價方案，有效保證了教學效果。

3相關課教學

3.1電機與電氣控制的教學。

本課程以發電機為主題，以工作任務為導向，以工廠實用型電氣控制系統設計、安裝、調試與維護情景教學為主線貫穿全課程，用實物進行直觀性教學，使學生感性認識強，理性認識夠。

典型的教學任務有三相異步電動機全壓啟動、三相異步電動機長動控制、三相異步電動機正反轉控制、三相異步電動機延時啟動控制（或三相異步電動機Y-降壓啟動）、機械手控制等。

課程特色是學生充分利用所學知識、網絡資源、閑瑕時間作為期三個月的“繼電控制課程設計”。任務書要求能夠根據功能要求選擇個元器件的類型及其型號；了解個元器件的工作原理和使用方法；把各元器件連接起來實現本課程設計的要求。設計內容和要求：兩臺電動機都存在重載啟動的可能，任何一級傳送帶停止工作時，其他傳送帶都必須停止工作，控制線路有必要的保護環節，有故障報警裝置。課程設計書要有課題介紹、題目、摘要、總體方案設計、設計目的、控制要求、設計要求、 硬件選型、主電路原理圖的設計、 控制電路原理圖的設計、重載保護電路設計、欠壓保護電路設計、總結。

3.2PLC教學。

PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，早期是一種開關邏輯控制裝置，隨著計算機技術和通信技術的發展，其控制核心采用微處理器，功能有了極大擴展，除了最廣泛的取代傳統的繼電器-接觸器控制的開關量邏輯控制外，還有過程控制，數據處理，通信聯網與顯示打印，PLC接口采用光電隔離，實現了PLC的內部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。

PLC有5種編程語言：

（1）順序功能圖（SFC）。

順序功能圖常用來編制順序控制類程序，包含步、動作、轉換三個要素。順序功能編程法是將一個復雜的控制過程分解為小的工作狀態，這些狀態按順序連接組合成整體的控制程序。

（2）梯形圖（LD）。

梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，是在常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變而來的，形象、直觀、實用，電氣技術人員容易接受，要求用帶CRT屏幕顯示的圖形編程器才能輸入圖形符號，是目前用得最多的一種PLC編程語言。

（3）功能塊圖（FBD）。

功能圖編程語言是用邏輯功能符號組成的功能塊來表達命令的圖形語言，與數字電路中的邏輯圖一樣，極易表現條件與結果之間的邏輯功能。

（4）指令表（IL）。

采用經濟便攜的編程器將程序輸入到可編程控制器就用指令表，使用的指令語句類似微機中的匯編語言。指令表程序較難閱讀，其中的邏輯關系很難一眼看出，所以在設計時一般使用梯形圖語言。如果使用手持式編程器，必須將梯形圖轉換成指令表后再寫入PLC，在用戶程序存儲器中，指令按步序號順序排列。

（5）結構文本（ST）是文字語言。

編程語言的學習是PLC教學的一項重要內容，中間加以不同的應用實例：順序控制電路、常閉觸點輸入信號的處理，使用多個定時器接力定時的時序控制電路、三相異步電動機正反轉控制電路、鉆床刀架運動控制系統的設計，LED數碼管顯示設計，還經常根據繼電器電路圖設計梯形圖。

增加的學習情境還常有如下任務：洗手間的沖水清洗控制、進庫物品的統計、競賽搶答器裝置設計、彩燈或噴泉PLC控制；尋找數組最大值并求和運算、電熱水爐溫度控制等。

3.3單片機。

單片微型計算機就是將CPU、RAM、ROM、定時/計數器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。用于示波器、報警系統、移動電話、彩電等日常方面，在智能儀器儀表、工業控制、家用電器、計算機網絡和通信領域、醫用設備領域、工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域也都有廣泛應用。

數據大都在單片機內部傳送，運行速度快，抗干擾能力強，可靠性高，微型單片化集成了如看門狗、AD/DA等更多的其它資源。教學內容以80C51為核心講授單片機的的引腳、存儲器組織結構、典型語句，以實例應用為線索：單燈受控閃爍、P1口外接8只LED發光二極管模擬彩燈、單片機做加、減、乘、除運算等項目。各子任務都作硬件電路及工作原理分析、主程序流程圖設計、源程序的編輯、編譯、下載、單片機的I/O接口分配及連接。

教學采用ISP-4單片機實驗開發板，可以完成大量的單片機學習、開發實驗，對學習單片機有極大的幫助。該板采用在線可編程的AT89S51單片機，有程序下載功能，可將編輯、編譯、調試好的單片機代碼下載到AT89S51單片機中。

3.4變頻器技術及應用。

變頻技術讓學生熟練掌握各種電力電子器件的工作原理、主要參數、驅動電路與保護技術；掌握交-直-交變頻器、交-交變頻器、諧振型變頻的工作原理和應用范圍；掌握脈寬調制控制、矢量控制和直接轉矩控制等先進技術；了解變頻器與感應電動機組成變頻調速系統、變頻器與雙饋電機組成調速系統、變頻器與同步電動機組成變頻調速系統，掌握電力電子電機系統的組成、工作原理、控制方法、運行特性等，是強電應用和現代技術推廣的有力體現。

3.5傳感器與自動檢測技術。

傳感器技術代替人的感觀，在各種環境下應用，檢測技術是一套有效的反應體系，包括信息的獲得、測量方法、信號的變換、處理和顯示、誤差的分析以及干擾的抑制、可靠性問題等。因此掌握常用傳感器的工作原理、結構、性能，并能正確選用，了解傳感器的基本概念和自動檢測系統的組成，對常用檢測系統有相應的分析與維護能力。對工業生產過程中主要工藝參數的測量能提出合理的檢測方案，能正確選用傳感器及測量轉換電路組成實用檢測系統的初步能力。

教學過程進行小論文制作，讓學生提高計算機應用水平，使學生從文字處理水平提高到辦公處理水平。對分節、目錄、文獻標識作嚴格要求。題目如數字顯示電子稱、基于霍爾傳感器的轉速表、單片機電子秤研究、光纖測溫儀、煙霧報警器、小車尋跡設計、電熨斗自動恒溫系統、電渦流探傷、電感測厚儀等。

4畢業論文指導分析

畢業論文專業聯系實際，通常小型自動化系統以單片機為主，大型自動化生產線以PLC為主，系統運行動力離不開電機，觀察離不開傳感器，調速可用變頻器，綜合所學，學生的論文涉及廣泛，有效教學可對應從如下方面側重指導。

4.1立意選題。

根據實際和研究方向做好側重和體現，如“觸摸屏控制的堿液配置系統”和“兩種液體混合裝置的PLC控制系統”的系統性和方向性，“車庫自動門的PLC自動控制”和“測速雷達信號處理系統”的檢測指標要求等。

4.2材料整合。

在任務要求明確的基礎上，首先確定相關技術指標，對應查找并列出論文結構，一份畢業論文至少含有三到五門課的內容，對應于研究方向進行相應編排和取舍。

4.3技術處理。

所搜集圖片的背景往往有水印，要去掉，圖片按要求進行不同方向的剪切。圖表里的文字應是五號或小五，注意表格標題要單獨標出等等格式要求。流程圖、梯形圖的設計與表現。

多種教學方法和理論聯系實際教出具有學習能力和創新能力的學生，系統的學習與應用創造練就出具有競爭力的學生，專業課的有效教學和畢業論文的順利設計將顯示本專業沉甸甸的含金量。

參考文獻

[1]呂景全.《自動化生產線安裝與調試》，中國鐵道出版社，2010年7月

[2]馬玉春.《電機與電氣控制》，北京交通大學出版社，2011年1月

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1引言

近年來，各國為達到提高系統的定位精度以適應工業需要，嘗試了各種控制方式和控制策略，并對氣動伺服系統做了大量工作。當臨時需要對各個單元進行新的分配任務或產品變化時，可以很方便的改動或重新設計其新部件，當位置改變時，只要重新編程，就能很快地投產，從而降低了安裝和轉換工作的費用。模塊化生產培訓系統（MPS，ModularProductiontrainingSystem）是一種模擬自動化生產加工單元，它由德國FESTO公司結合現代工業企業的特點開發研制而成。它可以大量代替單調往復或高精度的工作，用以滿足前沿產品和自動化設備更新的需要。本文所研究的內容，國際上以德國、日本、韓國等最具代表性，技術上已經趨于成熟，但其產品價格昂貴，且在技術上對用戶封鎖，致使用戶無法結合自己的需要進行二次開發。

目前，國內已有幾家教學設備生產企業開始仿造國外的MPS部分產品，主要有上海英集斯自動化技術有限公司生產的“MPS/FMS模塊化生產培訓系統”；浙江亞龍教儀有限公司生產的“亞龍YL－MPS模塊化生產培訓系統”。本文將采用上海英集斯自動化技術有限公司生產的MPS教學設備，結合本實驗室（國家示范性中央財政支持重點建設實驗室）的實際需求，給出了基于PLC的MPS上料檢測單元PLC控制系統設計的完整解決方案。

2上料檢測單元的結構、功能與氣動控制回路

上料檢測單元可作為MPS系統中的起始單元，向系統中的其它單元提供原料。

2.1上料檢測單元的結構、功能

上料檢測單元主要由I/O接線端口、料盤模塊、氣源處理組件、工件檢測組件、提升模塊等部件組成。它的具體功能是：將放置在料盤中的待加工工件按照需要自動地取出，并檢測出工件的黑白顏色，最后將其提升到輸出工位，等待下一個工作單元來取。

2.2上料檢測單元的氣動控制回路

上料檢測單元的執行機構是氣動控制系統，其方向控制閥的控制方式為手動控制或電磁控制。在上料檢測單元的氣動控制原理圖中，1A為雙作用提升氣缸；1Y1為雙作用氣缸電磁閥的控制信號；1B1和1B2為磁感應式接近開關。氣動控制回路如圖1所示。

圖1上料檢測單元氣動控制回路

3基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統的設計方案

基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統的控制任務設計：接通設備電源與氣源、運行PLC后，首先執行復位動作，即提升氣缸驅動的工件平臺下降到位。料盤旋轉輸出工件，當料盤檢測到工件平臺中有工件后停止旋轉，提升氣缸動作，將工件平臺提升至輸出工位，檢測工件的顏色并保存下來。按下“特殊”按鈕，表示工件被取走。隨后工件平臺下降到位，料盤繼續旋轉輸出工件，重復以上流程。

下面介紹該方案的關鍵環節。

3.1分配上料檢測單元PLC輸入輸出地址

PLC的輸入輸出與執行機構的對應關系如表1所示。

表1上料檢測單元PLC輸入輸出與執行機構的對應關系

3.2編寫程序并調試

上料檢測單元的手動控制程序框圖如圖2所示。

圖2上料檢測單元的手動控制程序框圖

上料檢測單元的PLC梯形圖程序如圖3所示。

圖3上料檢測單元的PLC梯形圖程序

經調試，該程序能順利完成本單元的控制任務。

4結束語

本文對上料檢測單元的結構與功能、氣動控制回路分別進行了詳細分析，然后對上料檢測單元的PLC控制系統進行二次設計與實現，首先編寫了PLC輸入、輸出分配表，進而編寫出其程序流程圖及梯形圖，最后上機調試，驗證了基于PLC的MPS上料檢測單元控制系統的二次設計與實現的可行性。并總結出兩點結論：（1）在設計各單元的控制任務時，要根據各單元的基本功能，編寫符合實際的控制任務，最大限度的合理開發其使用功能，但一定要符合其機械設計，否則會讓設備之間發生沖突，造成元器件的損壞；（2）在設計梯形圖程序時，移位指令和數據傳送指令的合理配合使用，以及RS觸發器指令的巧妙使用，會大大縮短梯形圖程序設計時間，又會達到良好的控制效果。從而快速對上料檢測單元的PLC控制系統進行二次設計與實現。

參考文獻

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2 宋旦鋒. 模塊化氣動裝卸機械手的研究與開發. 南京:南京理工大學,2004:6-8.

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中圖分類號： F407 文獻標識碼： A

1 引言

隨著微電子產業的發展，微電子集成芯片在尺寸、種類、形態結構以及制造周期方面有了很大變化。由于電子行業對電子產品小型化的要求，高集成度IC一般都采用表面貼裝形式。SMT(表面貼裝技術Surface Mount Technology)是目前電子貼裝行業里面的主流技術，被譽為電子組裝技術的一次革命。當前發達國家在計算機、通信、軍事、工業自動化、消費類電子產品中，幾乎都采用了SMT技術。因此自主開發 SMT生產設備不僅是發展我國半導體產業的需要，也是我國國民經濟健康、持續發展的迫切需求。

SMT生產線中的主要設備由滴膠機、絲印機、貼片機、回流焊機、清洗機和檢測機等組成，同時還配備了如上下料機、接駁臺、涂敷設備、周轉設備等輔助設備。貼片機、滴膠機、絲印機和檢測機是關鍵設備，其中貼片機是SMT生產線設備當中最關鍵的設備，它的技術含量最高、價格最昂貴。圖1是典型的SMT工藝流程圖：

圖1 smt工藝流程圖

Fig. 1 Smt flow chart

2 貼片機的運動控制分析

由前面的貼片機關鍵技術分析可知，控制技術是核心問題，也是本文要研究的主要問題。貼片機的控制問題主要是對貼片機的運動控制研究。

貼片機的發展經歷了手動、半自動、全自動貼片機三個時期，目前絕大多數正在使用的貼片機都屬于全自動貼片機類型。全自動貼片機是機-電-光及自動控制、計算機技術的綜合應用。它通過拾取、移動、定位、貼裝等功能，將表面貼裝器件(SMD)快速而準確地貼裝到PCB板指定的焊盤位置上。貼片機對所有元件的貼裝是按順序進行的：拾取/貼裝頭先移動到指定的喂料器位置上拾取要貼裝的元件，再通過視覺處理系統對貼裝元件進行檢測和對中，最后移動到PCB板上的指定焊盤位置上貼裝元件；在這一過程結束后，拾取貼裝頭又移動到喂料器拾取下一批元件、再進行識別、貼裝操作，如此周而復始，直到所有元件都貼裝完。整個流程完全由計算機控制自動完成，無需人力介入。所以，對運動控制部分的速度、精度等都提出了很高的要求。

根據生產任務在計算機上進行編程，主要任務有三項[8] ：

(1) 對每個需要貼裝的元器件，按照元器件軌道設置文件進行裝料，并安放于分配到的元器件供料軌道上。

(2) 根據待加工PCB的寬度將貼片機傳輸軌道調整到相應的寬度。

(3) 依據貼片任務需要來設定吸嘴配置，進行相應的吸嘴更換。其次，等這些準備工作結束后，就進入PCB坐標識別步驟，對PCB定位處理。若該塊PCB的基準點不能夠被識別，就放棄貼片，并傳送到輸出端軌道處；若該塊PCB通過視覺系統的判別，則它就被正確定位于貼片工作區。旋轉頭按照加工程序到相應的供料軌道上取料，然后到指定的貼片位置進行貼裝。如果在貼片過程中發生故障，如元器件供料軌道、機器驅動及氣路等控制有問題，機器會做出相應的報警提示。假如排故成功可繼續貼片，直至完成所有的元器件的貼裝，否則退出貼片作業，PCB傳輸到輸出端軌道上。對一塊PCB貼片作業完成后，自動進入下一個PCB作業循環。

3 貼片機的各軸組成和運動方式

圖2 貼片機運動各軸組成

Fig. 2 Mounter movement various axes composition

表1 各軸功能表

Tablet 1 Various axes function table

各個軸需要實現的運動控制方式分為基本運動和組合運動，基本運動包括所有軸的原點復位、恒速運動、以給定的加速度，速度運動到目標位置；組合運動包括X、Y軸的直線插補運動、勻加速的之字形運動；Z、PU軸的勻加速上下運動；R、W軸的勻加速正反運動等。運動控制的種類如圖3所示。

圖3 各軸的運動控制種類

Fig. 3 Various axes movement control type

4 貼片頭運動控制模型的建立

貼片頭可以看成四個自由度的機械手，其動態特性具有高度的非線性。其驅動執行機構由伺服電動機來完成。本論文研究的貼片頭驅動機構為直流伺服電機。

由于機械零部件比較復雜，例如機械部件可能因承受負載而彎曲，關節可能具有彈性及機械摩擦等等，所以在實際上不可能建立準確的模型。一般采用近似模型，在設計模型時，假設貼片頭機械手各段是理想剛體，因此所有關節都是理想的，不存在摩擦和間隙。

4.1直流傳動系統的建模

在建立貼片頭機械手控制模型之前，我們有必要研究一下機械手運動的執行機構-直流伺服電動機的模型。

圖4表示具有減速齒輪和旋轉負載的直流電動機工作原理圖。

圖4 直流電動機工作原理圖

Fig. 4 Direct current motor work schematic diagram

圖中伺服電動機的參數規定如下：

―勵磁回路電阻與電感；

―勵磁回路電流與電壓；

―電樞回路電阻與電感；

―電樞回路電流與電壓；

―電樞（轉子）角位移與轉速；

―電動機轉子轉動慣量及粘滯摩擦系數；

―電動機轉矩及轉矩常數；

―電動機反電勢常數；

―負載角位移與轉速；

―減速比；

―負載轉子轉動慣量及粘滯摩擦系數；

首先求出電樞控制直流伺服電機傳遞函數。我們可以建立以下方程式子

(4-1)

(4-2)

(4-3)

式中 ，分別表示傳動系統對轉動軸的總轉動慣量和總粘滯摩擦系數。對上述三式進行拉氏變換，則變為：

(4-4)

(4-5)

(4-6)

其等效方框圖見圖5。

圖5 電樞控制直流電機傳遞函數框圖

Fig. 5 Armature control direct current machine transfer function diagram

根據式(4-4)至(4-6)可以得到電動機的開環傳遞函數如下：

(4-7)

2.2貼片頭位置控制的基本結構

貼片頭的位置控制結構可以采用以下兩種形式，即關節空間控制和直角坐標控制結構，分別如圖6 (a)，(b)所示。

圖6 貼片頭的位置控制基本結構

Fig. 6 Mount-header the position control basic structure

在圖(a)中，是期望的關節位置矢量，別是期望的關節速度矢量和加速度矢量，是實際關節位置矢量和速度矢量。是關節驅動力矩矢量，是相應的控制矢量。

在圖(b)中，是期望的工具位姿，其中表示期望的工具的位置，表示期望的工具的姿態。，其中是期望的工具線速度，是期望的工具角速度，是期望的工具加速度，是實際的工具位置和工具速度。

本文采用第一種控制結構來研究和設計貼片頭的控制系統。這種控制結構的期望軌跡是關節的位置、速度和加速度，因而比較容易實現關節的伺服控制。

參考文獻

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[2] 羅磊,王石剛.表面貼裝關鍵技術綜述[J].組合機床與自動化加工技術,2003,2:70-72.

[3] 滕應杰.面向21世紀的表面安裝技術[J].電子工藝技術,1999,20(6):253-255.

[4] 鮮飛.表面貼裝技術的新發展[J].電子元件與材料,2002,21(5):31-34.

[5] 王曉黎,白波.表面貼裝領域中的可制造性設計技術[J].電子工藝技術,2005,25(3):115-118.